CN113819537A - 一种高温杀灭病菌船用空调系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种高温杀灭病菌船用空调系统，其特征在于，包括依次连接的进风管路、用于预热空气的加热单元、用于高温杀菌的高温灭菌单元、用于冷却空气的冷却单元、用于制冷空气的制冷单元和送风管路；外界空气和回风管路空气经进风管路依次通过至加热单元、高温灭菌单元、冷却单元和制冷单元，处理后的空气经送风管路输送至船上各舱室。本申请提供的高温杀灭病菌船用空调系统，利用船舶及海洋工程平台主机、辅机的余热、废热等热源，实现空气高温加热杀菌，在保证船员舒适度的同时，有效杀灭空气中的病毒和细菌，抑制空气传染病的传播，降低船员的感染风险，可以应用于豪华邮轮、客滚船、科考船、工程船、海洋工程平台等大、中型船舶和海洋工程平台。

Description

一种高温杀灭病菌船用空调系统
技术领域
本申请涉及一种高温杀灭病菌船用空调系统，属于船舶空调技术领域。
背景技术
船用空调是调节船舶及海洋工程平台舱室环境参数的辅机装置，广泛应用于邮轮、客船、科考船、工程船等大中型船舶。由于大中型船舶定员多、航行作业时间长、空间结构受限、海上环境恶劣、船员流动性大、密集程度高，导致船上空气流通性差、环境质量低。一旦船舶发生空气传染疾病，现有通风空调系统很难实现疫情防控，很可能造成聚集性感染，难以得到有效、及时遏制。
主要原因是现有通风空调系统大都采取过滤吸附、压差控制等病菌隔离及化学、物理消毒措施抑制空气中病菌传播。然而，高效过滤器只能对粒径≥0.5μm颗粒拦截效率达到99.9％。随着时间推移，高效过滤器附着病菌和颗粒物增加，管路阻力增大，未被拦截的病菌将增加船员感染风险，而舱室压差控制系统复杂、难度大，只能将病菌限制在一定区域，无法从根源上杀灭病菌。通过喷洒臭氧、酒精等化学消毒灭菌，消毒物质有可能被人体吸入造成伤害，不适用于运行中的空调系统以及有人处所，而紫外线、静电吸附等杀菌需要发射很大的发射功率才能达到杀灭病菌的剂量，可能导致辐射泄漏、触电等危害。研究表明，高温对绝大多数病菌具有瞬间杀灭效果，而新型冠状病毒(2019-nCoV)等通过空气传播的病菌均为不耐热，加热到56℃并且持续30min即可灭菌。加热的温度越高，杀灭病菌的时间越短，杀灭病菌的效果越好。
目前，船舶空调的送风量达到10000m3/h，管路风速高达10m/s，实现空气高温灭菌和空气参数调节功能，需要先将空气充分加热到100℃以上，再将空气降温至约20℃送到舱室，过程消耗大量热量、冷量，受限于层高、舱容、结构、重量、电力负荷等因素，常规的船舶空调系统难以满足这些功能。
发明内容
本申请的目的是为解决上述现有技术中的问题，针对船舶及海洋工程平台特殊环境条件，提供能够实现高温杀灭病菌的船用空调系统。
为了解决上述技术问题，本申请的技术方案是提供了一种高温杀灭病菌船用空调系统，其特征在于，包括依次连接的进风管路、用于预热空气的加热单元、用于高温杀菌的高温灭菌单元、用于冷却空气的冷却单元、用于制冷空气的制冷单元和送风管路；外界空气和回风管路空气经进风管路依次通过加热单元、高温灭菌单元、冷却单元和制冷单元，处理后的空气经送风管路输送至船上各舱室。
其中，所述进风管路上设有依次连接的新风过滤器、新风调节阀、送风机。
其中，空调系统还包括回风管路，所述回风管路的回风口设于船上舱室，回风口处设有回风变风量阀，所述回风管路设有两条支路，一条支路自船上舱室连通至进风管路、另一条支路连通至外界。
其中，所述回风管路连通至进风管路的支路上设有依次连接的回风过滤器、回风调节阀、回风风机。
其中，所述高温灭菌单元的出风口至冷却单元的入风口的管路上设有温控调节阀，高温灭菌单元的出风口至所述温控调节阀的管路上设有一条连通至外界的温控压差调节支路，温控压差调节支路上设有温控压差调节阀。
其中，空调系统还包括相变蓄冷单元和热泵单元，所述相变蓄冷单元包括内部设有相变蓄冷材料的相变蓄冷箱体，所述制冷单元包括制冷盘管、低温循环泵，制冷盘管设于制冷单元的箱体内，所述相变蓄冷箱体内设有制冷单元换热盘管，制冷单元换热盘管经低温循环泵连接制冷盘管；所述热泵单元包括经循环管路连接的蒸发吸热盘管、压缩机、冷凝放热盘管和膨胀阀，所述蒸发吸热盘管设于相变蓄冷箱体内，所述冷凝放热盘管设于所述加热单元的箱体内。
优选的，所述制冷单元的箱体设有冷凝水排水口。
其中，空调系统还包括相变蓄热单元，所述相变蓄热单元包括设有相变蓄热材料的相变蓄热箱体；所述高温灭菌单元的箱体内设有高温换热器、温控电加热器，所述相变蓄热箱体内设有高温灭菌单元换热盘管，高温灭菌单元换热盘管经高温循环泵连接高温换热器，相变蓄热箱体内还设有相变蓄热单元换热盘管，相变蓄热单元换热盘管经相变蓄热单元流量调节阀连接船舶热源管路系统。
其中，所述冷却单元包括连接船舶冷却系统管路的冷却换热器，冷却换热器设于冷却单元的箱体内，冷却换热器与船舶冷却系统管路的连接管路上设有冷却单元流量调节阀。
优选的，所述冷却单元的箱体设有冷凝水排水阀。
本申请的技术方案还提供了一种船用高温杀灭病菌方法，采用上述高温杀灭病菌船用空调系统，其特征在于，高温杀灭病菌步骤为：空气经空气预处理、空气预热、空气高温杀菌、空气冷却、空气制冷后输送至船上舱室。
其中，所述的空气高温杀菌的过程为：经过预热的空气进入高温灭菌单元，被高温换热器、温控电加热器加热；若处理后的空气温度未达到设定的高温，则关闭温控调节阀，开启温控压差调节阀；若高温灭菌单元超过耐受压力，温控压差调节阀开启；当加热后空气温度达到灭菌所需高温，温控调节阀开启，温控压差调节阀关闭；温控电加热器仅作为辅助热源，当高温换热器热量不足以将空气加热到灭菌所需高温时开启。
高温杀灭病菌船用空调系统的空气处理流程：空气预处理、空气预热、空气高温杀菌、空气冷却、空气制冷。
空气预处理过程：外界环境空气通过新风过滤器和新风调节阀外界空气，与经过回风过滤器、回风调节阀的回风混合，经过送风机、送风管路进入加热单元。
空气预热过程：经过预处理的空气进入加热单元，被冷凝放热盘管预热后进入高温灭菌单元。空气预热的热量来源于热泵单元的冷凝热量，通过调节压缩机输出能量、电子膨胀阀，实现预热后空气温度的控制。
空气高温杀菌过程：经过预热的空气进入高温灭菌单元，被高温换热器、温控电加热器被加热。若经过高温换热器、温控电加热器加热的空气温度未达到灭菌所需高温，则关闭温控调节阀，开启温控压差调节阀，将空气排到室外大气。若高温灭菌单元中空气加热膨胀超过高温灭菌单元耐受压力，温控压差调节阀启，将部分空气排出到室外大气。当加热后空气温度达到灭菌所需高温，温控调节阀开启，温控压差调节阀关闭，经过风口、温控调节阀进入冷却单元。主机、辅机、锅炉等船舶余热和废热等热量，通过连接的换热管路储存在相变蓄热材料，流量调节阀实现相变蓄热材料蓄热量调节。当高温换热器难以将空气加热到灭菌所需的高温时，温控电加热器仅作为辅助热源开启。高温灭菌的热量来源于相变蓄热材料蓄热量、温控电加热器，通过高温循环泵、电加热功率调节，可以实现高温灭菌处理后空气温度调控。
空气冷却过程：经过高温灭菌的空气进入冷却单元，再被冷却换热器冷却，经过风口进入制冷单元。空气冷却的冷量来源于船舶冷却系统，通过流量调节阀可以实现冷却处理后空气温度调节。
空气制冷过程：经过冷却空气进入制冷单元，被制冷盘管冷却，达到空气送风状态点，经过风口、送风变风量阀通过送风管路送入各舱室。舱室空气经由回风口、回风变风量阀进入回风管，或者经过排风调节阀排到外界。热泵单元的蒸发冷量蓄积在相变蓄冷材料，空气制冷的冷量来源于相变蓄冷材料，通过低温循环泵可以实现制冷处理后空气温度的调节。
本申请优点在于，利用船舶主机、辅机等燃料燃烧产生的大量热量、余热、废热，能够提供全船空调系统空气高温加热杀菌所需的大量热量和风量，保证船员舒适度的同时，有效杀灭空气中病菌，抑制船舶及海洋工程平台空气传染病的传播，降低船员感染风险。
附图说明
图1为实施例中提供的高温杀灭病菌船用空调系统的结构原理图；
图2为实施例中空气病菌杀灭功能的处理流程图；
图3为实施例中实现供暖功能的空气处理流程图；
图4为实施例中实现制冷功能的空气处理流程图；
附图标记：加热单元1、加热单元进风口1-1、加热单元出风口1-2；高温灭菌单元2、高温灭菌单元进风口2-1、高温灭菌单元出风口2-2、高温换热器2-3、温控电加热器2-4、高温循环泵2-5、高温灭菌单元换热盘管2-6；相变蓄热单元3、相变蓄热材料3-1、相变蓄热单元换热盘管3-2，相变蓄热单元流量调节阀3-3；冷却单元4、冷却单元进风口4-1、冷却单元出风口4-2、冷却换热器4-3，冷凝水排水阀4-4、冷却单元流量调节阀4-5；制冷单元5、制冷单元进风口5-1、制冷单元出风口5-2、制冷盘管5-3、冷凝水排水口5-4、制冷单元换热盘管5-5、低温循环泵5-6；相变蓄冷单元6、相变蓄冷材料6-1；热泵单元7、蒸发吸热盘管7-1、冷凝放热盘管7-2、膨胀阀7-3、压缩机7-4；空调管路单元8、新风过滤器8-1、新风调节阀8-2、送风机8-3、温控调节阀8-4、送风变风量阀8-5、送风口8-6、回风口8-7、回风变风量阀8-8、温控压差调节阀8-9、排风调节阀8-10、回风过滤器8-11、回风调节阀8-12、回风风机8-13。
具体实施方式
为使本申请更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例
本实施例提供的是高温杀灭病菌船用空调系统，包括：加热单元1、高温灭菌单元2、相变蓄热单元3、冷却单元4、制冷单元5、相变蓄冷单元6、热泵单元7、空调管路单元8。
所述加热单元1的箱体设有加热单元进风口1-1、加热单元出风口1-2，箱体内部设有热泵单元7的冷凝放热盘管7-2；
所述高温灭菌单元2的箱体设有高温灭菌单元进风口2-1、高温灭菌单元出风口2-2，箱体内部设有与相变蓄热单元3连接的高温换热器2-3，温控电加热器2-4；高温灭菌单元2与相变蓄热单元3通过管路连接，连接管路设有高温循环泵2-5；
所述相变蓄热单元3箱体中设有相变蓄热材料3-1，内部设有与高温灭菌单元2连接的高温灭菌单元换热盘管2-6，内部设有与船舶主机、辅机等废热、余热等热源管路连接的相变蓄热单元换热盘管3-2，热源管路设有相变蓄热单元流量调节阀3-3；
所述冷却单元4的箱体设有冷却单元进风口4-1、冷却单元出风口4-2，冷凝水排水阀4-4，内部设有与船舶冷却系统管路相连接的冷却换热器4-3，冷却系统管路设有冷却单元流量调节阀4-5；
所述制冷单元5的箱体设有制冷单元进风口5-1、制冷单元出风口5-2、冷凝水排水口5-4，箱体内部设有与相变蓄冷单元6的管路连接的制冷单元换热盘管5-5；制冷单元5与相变蓄冷单元6通过管路连接，连接管路设有低温循环泵5-6；
所述相变蓄冷单元6箱体中设有相变蓄冷材料6-1，内部设有与制冷单元5相连接的制冷单元换热盘管5-5，内部设有与热泵单元7相连接的蒸发吸热盘管7-1；
所述热泵单元7，蒸发吸热盘管7-1和冷凝放热盘管7-2的循环管路上设有压缩机7-4、膨胀阀7-3以及其他附件；
所述空调管路单元8设有新风过滤器8-1、新风调节阀8-2、送风机8-3、温控调节阀8-4、送风变风量阀8-5、送风口8-6、回风口8-7、回风变风量阀8-8、温控压差调节阀8-9、排风调节阀8-10、回风过滤器8-11、回风调节阀8-12、回风风机8-13。
上述高温杀灭病菌船用空调系统实现不同功能的调节控制过程如下：
一、空气病菌杀灭：
如图2所示，疫情工况下，高温杀灭病菌船用空调系统要实现空气病菌杀灭功能。其处理空气主要流程为空气预处理、空气预热、空气高温杀菌、空气冷却、空气制冷过程。
空气预处理过程，外界环境空气温度为T0，通过新风过滤器8-1和新风调节阀8-2外界空气，与经过回风过滤器8-11、回风调节阀8-12的回风混合，经过送风机8-3、加热单元进风口1-1进入加热单元1，经过预处理后空气的温度T1为-20℃～45℃。
空气预热过程，经过预处理的空气进入加热单元1，被冷凝放热盘管7-2预热，经过加热单元出风口1-2、高温灭菌单元进风口2-1进入高温灭菌单元2，空气预热的热量来源于热泵单元7的冷凝热量，通过调节压缩机7-4输出能量、膨胀阀7-3控制流量，实现预热后空气温度T2高于45℃。
空气高温杀菌过程，经过预热的空气进入高温灭菌单元2，被高温换热器2-3、温控电加热器2-4加热。若空气经过高温换热器2-3、温控电加热器2-4加热的空气温度未达到灭菌所需高温，则关闭温控调节阀8-4，开启温控压差调节阀8-9，将空气排到室外大气。若高温灭菌单元2中空气加热膨胀超过高温灭菌单元2耐受压力，温控压差调节阀8-9开启，将部分空气排出到室外大气，保证系统压力正常。只有当加热后空气温度达到灭菌所需高温，温控调节阀8-4开启，温控压差调节阀8-9关闭，经过高温灭菌单元出风口2-2、温控调节阀8-4、冷却单元进风口4-1进入冷却单元4。由于船舶在不同工况下余热、废热变化很大，通过蓄热材料3-1将热量储存起来，通过相变蓄热单元流量调节阀3-3实现相变蓄热材料3-1蓄热量调节。温控电加热器2-4仅作为辅助热源，只有当高温换热器2-3热量不足，难以将空气加热到灭菌所需的高温时开启，保证高温灭菌单元2中的空气达到灭菌所需要的高温。高温灭菌的热量来源于相变蓄热材料3-1、温控电加热器2-4，通过调节高温循环泵2-5流量、电加热功率，可以实现高温杀菌处理后空气温度T3高于145℃。
空气冷却过程，经过高温灭菌的空气进入冷却单元4，被冷却换热器4-3冷却，经过冷却单元出风口4-2、制冷单元进风口5-1进入制冷单元5。空气冷却的冷量来源于船舶中央淡水冷却系统，其进水温度不超过38℃，通过冷却单元流量调节阀4-5，可以实现冷却处理后空气温度T4不超过45℃。
空气制冷过程，经过冷却空气进入制冷单元5，被制冷盘管5-3冷却，达到空气送风状态点，经过制冷单元出风口5-2、送风变风量阀8-5、送风口8-6送入所需的舱室。舱室空气经由回风口8-7、回风变风量阀8-8进入回风管，参与下一个循环，或者经过排风调节阀8-10排到外界。热泵单元7的蒸发冷量蓄积在相变蓄冷材料6-1，空气制冷的冷量来源于相变蓄冷材料6-1，通过调节低温循环泵5-6流量，可以实现制冷处理后空气送制冷风温度T5不超过30℃。
二、供暖：
如图3所示，平时工况下，当外界环境温度较低，高温杀灭病菌船用空调系统要实现供暖功能，其处理空气主要流程为空气预处理、空气加热过程。
空气预处理过程，外界空气温度为T0'，通过新风过滤器8-1和新风调节阀8-2外界空气，与经过回风过滤器8-11、回风调节阀8-12回风混合，经过送风机8-3、加热单元进风口1-1进入加热单元1，经过预处理后空气的温度为T1'，经过预处理后空气的温度T0'为-20℃～45℃
空气加热过程，经过预处理的空气进入高温灭菌单元2，被高温换热器2-3加热。温控电加热器2-4仅作为辅助热源，只有当高温换热器2-3热量不足时开启。通过调节高温循环泵2-5流量、电加热功率，可以实现空气加热处理后空气温度供暖送风温度T2'不低于20℃。
三、制冷：
如图4所示，平时工况下，当外界环境温度较高，高温杀灭病菌船用空调系统要实现制冷功能，其处理空气主要流程为空气预处理、空气冷却、空气制冷过程。
空气预处理过程，外界空气温度为T0”，通过新风过滤器8-1和新风调节阀8-2外界空气，与经过回风过滤器8-11、回风调节阀8-12回风混合，经过送风机8-3、加热单元进风口1-1、加热单元1、高温灭菌单元2进入冷却单元4，经过预处理后空气的温度为T1”。
空气冷却过程，空气进入冷却单元4，被冷却换热器4-3冷却。空气冷却的冷量来源于船舶中央淡水冷却系统，其进水温度不超过38℃。通过冷却单元流量调节阀4-5，可以实现冷却处理后空气温度T2”不超过45℃。
空气制冷过程，空气经过冷却单元出风口4-2、制冷单元进风口5-1进入制冷单元5，被制冷盘管5-3冷却，经过制冷单元出风口5-2、送风变风量阀8-5、送风口8-6送入所需的舱室。舱室空气经由回风口8-7、回风变风量阀8-8进入回风管，或者经过排风调节阀8-10排到外界。空气制冷的冷量来源于相变蓄冷材料6-1，通过调节低温循环泵5-6流量，可以实现制冷处理后空气温度T3”维持在20～30℃。
本实施例提供的高温杀灭病菌船用空调系统的有益效果在于：
大中型船舶中央空调系统的空调器风量能达到10000m3/h，实现空气高温灭菌需要将空气加热到100℃以上，过程中伴随着大量热量消耗，传统的船舶中央空调系统通过电加热、锅炉热水加热等常规方式，难以实现将空气加热到灭菌所需的100℃以上高温。而船舶柴油机、燃气轮机、蒸汽轮机运行过程中将产生蕴含大量热能的废气，废气温度能达到250℃以上，而常规的柴油机有效输出效率只有不到50％，存在大量的热能被浪费。本申请提供的高温杀灭病菌船用空调系统，能够利用制冷压缩机组冷凝热量、船舶主机和辅机、锅炉燃烧产生余热和废热，对船舶中央空调系统的新风和回风进行空气预热、高温加热，通过物理方式瞬时杀灭空气中病毒和细菌，对船员无毒无害，杀灭效果好，保证船员舒适度的同时，有效杀灭空气中的病毒和细菌，抑制空气传染病的传播，降低船员感染风险。结合相变蓄冷、蓄热材料调节空调系统与船舶提供冷、热量不平衡、不匹配的难题，起到“削峰填谷”、“缓冲蓄能”作用，提高船舶能源利用率，增强船用空调系统可靠性、安全性。本申请可以应用于豪华邮轮、客滚船、科考船、工程船、海洋工程平台等大、中型船舶及海洋工程平台。

Claims (10)

1.一种高温杀灭病菌船用空调系统，其特征在于，包括依次连接的进风管路、用于预热空气的加热单元(1)、用于高温杀菌的高温灭菌单元(2)、用于冷却空气的冷却单元(4)、用于制冷空气的制冷单元(5)和送风管路；空气经进风管路依次通过至加热单元(1)、高温灭菌单元(2)、冷却单元(4)和制冷单元(5)，处理后的空气经送风管路输送至船上各舱室。
2.如权利要求1所述的高温杀灭病菌船用空调系统，其特征在于，所述进风管路上设有依次连接的新风过滤器(8-1)、新风调节阀(8-2)、送风机(8-3)。
3.如权利要求1所述的高温杀灭病菌船用空调系统，其特征在于，空调系统还包括回风管路，所述回风管路的回风口设于船上舱室，回风口处设有回风变风量阀(8-8)，所述回风管路设有两条支路，一条支路自船上舱室连通至进风管路、另一条支路连通至外界。
4.如权利要求3所述的高温杀灭病菌船用空调系统，其特征在于，所述回风管路连通至进风管路的支路上设有依次连接的回风过滤器(8-11)、回风调节阀(8-12)、回风风机(8-13)。
5.如权利要求1所述的高温杀灭病菌船用空调系统，其特征在于，空调系统还包括相变蓄冷单元(6)和热泵单元(7)，所述相变蓄冷单元(6)包括内部设有相变蓄冷材料(6-1)的相变蓄冷箱体，所述制冷单元(5)包括制冷盘管(5-3)、低温循环泵(5-6)，制冷盘管(5-3)设于制冷单元(5)的箱体内，所述相变蓄冷箱体内设有制冷单元换热盘管(5-5)，制冷单元换热盘管(5-5)经低温循环泵(5-6)连接制冷盘管(5-3)；所述热泵单元(7)包括经循环管路连接的蒸发吸热盘管(7-1)、压缩机(7-4)、冷凝放热盘管(7-2)和膨胀阀(7-3)，所述蒸发吸热盘管(7-1)设于相变蓄冷箱体内，所述冷凝放热盘管(7-2)设于所述加热单元(1)的箱体内。
6.如权利要求1所述的高温杀灭病菌船用空调系统，其特征在于，所述高温灭菌单元(2)的出风口至冷却单元的入风口的管路上设有温控调节阀(8-4)，高温灭菌单元(2)的出风口至所述温控调节阀(8-4)的管路上设有一条连通至外界的温控压差调节支路，温控压差调节支路上设有温控压差调节阀(8-9)。
7.如权利要求6所述的高温杀灭病菌船用空调系统，其特征在于，空调系统还包括相变蓄热单元(3)，所述相变蓄热单元(3)包括设有相变蓄热材料(3-1)的相变蓄热箱体；所述高温灭菌单元(2)的箱体内设有高温换热器(2-3)、温控电加热器(2-4)，所述相变蓄热箱体内设有高温灭菌单元换热盘管(2-6)，高温灭菌单元换热盘管(2-6)经高温循环泵(2-5)连接高温换热器(2-3)，相变蓄热箱体内还设有相变蓄热单元换热盘管(3-2)，相变蓄热单元换热盘管(3-2)经相变蓄热单元流量调节阀(3-3)连接船舶主机、辅机废热余热管路系统。
8.如权利要求1所述的高温杀灭病菌船用空调系统，其特征在于，所述冷却单元(4)包括连接船舶冷却系统管路的冷却换热器(4-3)，冷却换热器(4-3)设于冷却单元(4)的箱体内，冷却换热器(4-3)与船舶冷却系统管路的连接管路上设有冷却单元流量调节阀(4-5)。
9.一种船用高温杀灭病菌方法，采用权利要求1～8所述的高温杀灭病菌船用空调系统，其特征在于，高温杀灭病菌步骤为：空气经空气预处理、空气预热、空气高温杀菌、空气冷却、空气制冷后输送至船上舱室。
10.一种船用高温杀灭病菌方法，采用权利要求7所述的高温杀灭病菌船用空调系统，其特征在于，空气高温杀灭病菌的过程为：经过预热的空气进入高温灭菌单元(2)，被高温换热器(2-3)、温控电加热器(2-4)加热；若处理后的空气温度未达到设定的高温，则关闭温控调节阀(8-4)，开启温控压差调节阀(8-9)；若高温灭菌单元(2)超过耐受压力，温控压差调节阀(8-9)开启；当加热后空气温度达到灭菌所需高温，温控调节阀(8-4)开启，温控压差调节阀(8-9)关闭；温控电加热器(2-4)仅作为辅助热源，当高温换热器(2-3)热量不足以将空气加热到灭菌所需高温时开启。
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